Загальні відомості і класифікація
ДВИГУНИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
Частина I
ОСНОВИ ТЕОРІЇ ДВИГУНІВ
Укладач Галайчук В.Я
ЗМІСТ
КЛАСИФІКАЦІЯ І ПРИНЦИП РОБОТИ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
1.1. Загальні відомості і класифікація ……………………………………………………………
1.2. Робочий цикл чотиритактного ДВЗ………………………………….……………………….04
1.3. Робочий цикл двотактного ДВЗ………………………………………………………………07
ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
2.1. Теоретичні термодинамічні цикли ДВЗ……………………………………………………...011
2.1.1. Теоретичний цикл з підведенням теплоти при постійному об'ємі …………………….....012
2.1.2. Теоретичний цикл з підведенням теплоти при постійному тиску…………………....013
2.1.3. Теоретичний цикл з підведенням теплоти при постійному об'ємі і постійному тиску (змішаний цикл) ………………………………………………………………………………….....015
2.2. Дійсні цикли ДВЗ……………………………………………………………………………....017
2.2.1. Робочі тіла і їх властивості…………………………………………………………………...017
2.2.2. Процес впуску …………………………………………………………………………….021
2.2.3. Процес стиску…………………………………………………………………………………023
2.2.4. Процес згорання………………………………………………………….…………………...024
2.2.5. Процес розширення……………………………………………………….………..………...030
2.2.6. Процес випуску……………………………………………………………………………….032
2.3. Індикаторні і ефективні показники двигуна……………………………………..……………032
2.3.1. Індикаторні показники робочого циклу………………………………………………032
2.3.2. Ефективні показники робочого циклу ……………………………………….………..034
2.4. Особливості робочого циклу і теплового розрахунку двотактних двигунів………..………036
ПАРАМЕТРИ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
3.1. Тепловий баланс двигунів……………………………………………………………..…….038
3.2. Визначення основних розмірів двигунів…………………………………………………..…. 039
3.3. Основні параметри двигунів. ……………………………………………………………….…040
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
4.1. Регулювальні характеристики…………………………………………………………………041
4.2. Швидкісні характеристики…………………………………………………………………….042
4.2.1. Зовнішня швидкісна характеристика……………………………………………………….044
4.2.2. Часткові швидкісні характеристики………………………………………………………...044
4.2.3. Побудова швидкісних характеристик аналітичним методом……………………………...045
4.3. Регуляторна характеристика…………………………………………………………………...045
4.4. Навантажувальна характеристика………..…………………………………………………...046
КЛАСИФІКАЦІЯ І ПРИНЦИП РОБОТИ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
Загальні відомості і класифікація
Поршневим двигуном внутрішнього згорання називають таку теплову машину, в якій перетворення хімічної енергії палива на теплову, а потім в механічну енергію, відбувається усередині робочого циліндра. Перетворення теплоти на роботу в таких двигунах пов'язане з реалізацією цілого комплексу складних физико-хімічних, газодинамічних і термодинамічних процесів, які визначають відмінність робочих циклів і конструктивного виконання.
Початковою ознакою класифікації прийнятий вид палива, на якому працює двигун. Газоподібним паливом для ДВЗ служать природний, зріджений і генераторний гази. Рідке паливо є продуктами переробки нафти: бензин, гас, дизельне паливо і ін. Газорідинні двигуни працюють на суміші газоподібного і рідкого палива, причому основним паливом є газоподібне, а рідке використовується як запальне в невеликій кількості. Багатопаливні двигуни здатні тривало працювати на різних паливах в діапазоні від сирої нафти до високооктанового бензину.
Двигуни внутрішнього згорання класифікують також по наступних ознаках:
· за способом займання робочої суміші – з примусовим займанням і із займанням від стиску;
· за способом здійснення робочого циклу – двохтактні і чотиритактні, з наддувом і без наддуву;
· за способом сумішоутворення – із зовнішнім сумішоутвореням (карбюраторні і газові) і з внутрішнім сумішоутвореням (дизельні і бензинові з уприскуванням палива в циліндр);
· за способом охолоджування – з рідинним і повітряним охолоджуванням;
· по розташуванню циліндрів – однорядні з вертикальним, похилим горизонтальним розташуванням; дворядні з V-образным і оппозитным розташуванням.
Перетворення хімічної енергії палива, що спалюється в циліндрі двигуна, в механічну роботу здійснюється за допомогою газоподібного тіла – продуктів згорання рідкого або газоподібного палива. Під дією тиску газів поршень здійснює зворотно-поступальний рух, який перетвориться в обертальний рух колінчастого валу за допомогою кривошипно-шатунового механізму ДВЗ. Перш ніж розглядати робочі процеси, зупинимося на основних поняттях і визначеннях, прийнятих для двигунів внутрішнього згорання.
За один оберт колінчастого валу поршень двічі знаходитиметься в крайніх положеннях, де змінюється напрям його руху (рис 1.2). Ці положення поршня прийнято називати мертвими точками, оскільки зусилля, прикладене до поршня у цей момент, не може викликати обертального руху колінчастого валу. Положення поршня в циліндрі, при якому відстань його від осі валу двигуна досягає максимуму, називається верхньою мертвою точкою (ВМТ). Нижньою мертвою точкою (НМТ) називають таке положення поршня в циліндрі, при якому відстань його від осі валу двигуна досягає мінімуму.
Відстань по осі циліндра між мертвими точками називають ходом поршня. Кожному ходу поршня відповідає поворот колінчастого валу на 180°.
Переміщення поршня в циліндрі викликає зміну об'єму надпоршневого простору. Об'єм внутрішньої порожнини циліндра при положенні поршня у ВМТ називають об'ємом камери згорання Vc.
Об'єм циліндра, що утворюється поршнем при його переміщенні між мертвими точками, називається робочим об'ємом циліндра Vh.
Vh =. 
де D – діаметр циліндра, мм;
S – хід поршня, мм.
Об'єм надпоршневого простору при положенні поршня в НМТ називають повним об'ємом циліндра Va.
Va = Vh+ Vc
Рис 1.2. Схема поршневого двигуна внутрішнього згорання
Робочим об'ємом двигуна - це величина робочого об'єму циліндра двигуна, що множиться на число циліндрів.
Відношення повного об'єму циліндра Va до об'єму камери згорання Vc називають ступенем стиску
ε = 
= 
= 1+ 
При переміщенні поршня в циліндрі окрім зміни об'єму робочого тіла змінюються його тиск, температура, теплоємність, внутрішня енергія.
Робочим циклом називають сукупність послідовних процесів, що здійснюються з метою перетворення теплової енергії палива на механічну.
Досягнення періодичності робочих циклів забезпечується за допомогою спеціальних механізмів і систем двигуна.
Робочий цикл будь-якого поршневого двигуна внутрішнього згорання може бути здійснений по одній з двох схем, зображених на рис. 1.3.
По схемі, зображеній на рис. 1.3а, робочий цикл здійснюється таким чином. Паливо і повітря в певних співвідношеннях перемішуються поза циліндром двигуна і утворюють горючу суміш. Отримана суміш поступає в циліндр (впуск), після чого вона піддається стискуванню. Стиску суміші, як буде показано нижче, необхідне для збільшення роботи за цикл, оскільки при цьому розширюються температурні межі, в яких протікає робочий процес. Попереднє стиску створює також кращі умови для згорання суміші повітря з паливом.
Під час впуску і стиску суміші в циліндрі відбувається додаткове перемішування палива з повітрям. Підготовлена горюча суміш займається в циліндрі за допомогою електричної іскри. Унаслідок швидкого згорання суміші в циліндрі різко підвищується температура і, отже, тиск, під впливом якого відбувається переміщення поршня від ВМТ до НМТ. В процесі розширення нагріті до високої температури гази здійснюють корисну роботу. Тиск, а разом з ним і температура газів в циліндрі при цьому знижуються. Після розширення слідує очищення циліндра від продуктів згорання (випуск), і робочий цикл повторюється.
Зовнішнє сумішоутворення Внутрішнє сумішоутворення
| Повітря |
| Паливо |
| Сумішоутворення |
| Стиск |
| Сумішоутворення Займання і згорання |
| Розширення |
| Випуск |
| Впуск |
| Розширення |
| Випуск |
| Впуск |
| Повітря |
| Стиск |
| Паливо |
| Сумішоутворення, займання і згорання |
а б
Рис. 1.3. Схеми робочого циклу двигунів
У розглянутій схемі підготовка суміші повітря з паливом, тобто процес сумішоутворення, відбувається в основному поза циліндром, і наповнення циліндра проводиться готовою горючою сумішшю, тому двигуни, що працюють за цією схемою, називаються двигунами із зовнішнім сумішоутвореням. До таких двигунів належать карбюраторні двигуни, що працюють на бензині, газові двигуни, а також двигуни з уприскуванням палива у впускний трубопровід, тобто двигуни, в яких застосовується паливо, що легко випаровується і добре перемішується з повітрям за звичайних умов.
Стиску суміші в циліндрі у двигунів із зовнішнім сумішоутвореням має бути таким, щоб тиск і температура в кінці стиску не досягали значень, при яких могли б відбутися передчасний спалах або дуже швидке (детонаційне) згорання. Залежно від використаного палива, складу суміші, умов теплопередачі в стінки циліндра і так далі тиск кінця стиск у двигунів із зовнішнім сумішоутвореням знаходиться в межах 1,0–2,0 Мпа.
Якщо робочий цикл двигуна відбувається по схемі, описаній вище, то забезпечується гарне сумішоутворення і використання робочого об'єму циліндра. Проте обмеженість ступеня стиску суміші не дозволяє поліпшити економічність двигуна, а необхідність в примусовому запаленні ускладнює його конструкцію.
У разі здійснення робочого циклу по схемі, показаній на рис. 1.3б, процес сумішоутворення відбувається тільки усередині циліндра. Робочий циліндр в даному випадку заповнюється не сумішшю, а повітрям (впуску), яке і піддається стиску. В кінці процесу стиску в циліндр через форсунку під великим тиском вприскується паливо. При уприскуванні воно дрібно розпилюється і перемішується з повітрям в циліндрі. Частинки палива, стикаючись з гарячим повітрям, випаровуються, утворюючи паливоповітряну суміш. Займання суміші при роботі двигуна за цією схемою відбувається в результаті розігрівання повітря до температур, що перевищують самозаймання палива унаслідок стиску. Уприскування палива щоб уникнути передчасного спалаху починається тільки в кінці такту стиску. До моменту займання зазвичай уприскування палива ще не закінчується. Паливоповітряна суміш, що утворюється в процесі уприскування, виходить неоднорідною, унаслідок чого повне згорання палива можливе лише при значному надлишку повітря. В результаті вищому ступеню стиску, допустимому при роботі двигуна за даною схемою, забезпечується і вищий ККД. Після згорання палива слідує процес розширення і очищення циліндра від продуктів згорання (випуск). Таким чином, в двигунах, що працюють за другою схемою, весь процес сумішоутворення і підготовки горючої суміші до згорання відбуваються усередині циліндра. Такі двигуни називаються двигунами з внутрішнім сумішоутворенням. Двигуни, в яких займання палива відбувається в результаті високого стиску, називаються двигунами із займанням від стиску, або дизелями.